管制模擬與飛行模擬互聯(lián)系統(tǒng)的探討和設(shè)計(jì)

張 翔，王建勇，趙亮波

（1.南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司，江蘇 南京 210012；2.民航東北空管局培訓(xùn)中心，遼寧 沈陽 110000）

近年來，隨著我國民航事業(yè)的快速發(fā)展，民航管制指揮培訓(xùn)和飛行模擬培訓(xùn)需求越來越大，而航班流量的日益增長和空域數(shù)據(jù)的密集調(diào)整也同時(shí)帶來了更多復(fù)雜未知的指揮調(diào)度、極限飛行等各類特情的協(xié)調(diào)和處置事件。現(xiàn)有的培訓(xùn)設(shè)備大多都只針對單一的業(yè)務(wù)模塊提供培訓(xùn)和模擬服務(wù)，讓管制員和飛行員在同一特定的環(huán)境中同時(shí)進(jìn)行培訓(xùn)的需求也逐漸迫切?；诖耍疚挠懻撘环N民航空管模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)互聯(lián)互通的綜合培訓(xùn)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，該系統(tǒng)可通過編輯不同科目的訓(xùn)練劇本，既可模擬在同一環(huán)境中管制、飛行，兩者溝通、協(xié)調(diào)訓(xùn)練，還可以進(jìn)行各類特情、處置方案等科目的培訓(xùn)，同時(shí)該系統(tǒng)也可以應(yīng)用于雷達(dá)信號(hào)覆蓋弱的偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行航線試飛，空域特情處置處理，極限飛行指揮等研究課題的前期模擬、試驗(yàn)工作。

1 系統(tǒng)組成及信息流分析

目前，常見的管制模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)準(zhǔn)備層、應(yīng)用操作層、數(shù)據(jù)處理層三層結(jié)構(gòu)組成，整體來看是服務(wù)器-客戶端的模式，各層的主要模塊及席位組成如圖1所示；飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)準(zhǔn)備層、應(yīng)用控制層、模擬仿真層、飛行仿真控制層四層結(jié)構(gòu)組成，也是基于服務(wù)器-客戶端模式設(shè)計(jì)，各層的主要模塊及席位組成如圖2所示。

圖1 管制模擬機(jī)系統(tǒng)組成

圖2 飛行模擬機(jī)系統(tǒng)組成

從兩個(gè)系統(tǒng)整體組成結(jié)構(gòu)及內(nèi)部信息流交互方式看，其培訓(xùn)模式都是教員超控-學(xué)員操作-系統(tǒng)反饋顯示的形式。通過指定席位編輯劇本或場景，并由服務(wù)器程序讀取和解析航跡/飛行器操作信息來完成對各自業(yè)務(wù)培訓(xùn)和數(shù)據(jù)的處理，兩系統(tǒng)的劇本都包括了原始飛行計(jì)劃、航路空域、訓(xùn)練地圖數(shù)據(jù)、機(jī)場等據(jù)等信息；飛行仿真處理和管制仿真處理對原始飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性演算得出飛機(jī)歷史軌跡數(shù)據(jù)以及航路航圖數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)信息作為兩套系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)，也是培訓(xùn)的主要核心數(shù)據(jù)；模擬管制模塊和飛行座艙模塊是兩個(gè)系統(tǒng)培訓(xùn)過程中各自培訓(xùn)學(xué)員的主要操作終端，也是管制模擬系統(tǒng)和飛行仿真系統(tǒng)的主要客戶端模塊；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊，模擬機(jī)長模塊等是提高模擬培訓(xùn)逼真度的主要輔助模塊，在互聯(lián)系統(tǒng)中，可以根據(jù)需求進(jìn)行增減。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

管制模擬訓(xùn)練系統(tǒng)與飛行模擬訓(xùn)練互聯(lián)主要包括架構(gòu)模式同步、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)同步、仿真處理設(shè)計(jì)互聯(lián)、系統(tǒng)內(nèi)信息設(shè)計(jì)互聯(lián)等。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管制模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)工作模式均為基于服務(wù)器-客戶端模式的架構(gòu)設(shè)計(jì)，在服務(wù)端處理上，因傳輸、處理的信息內(nèi)容差異較大，在對兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用操作層設(shè)備分析后，保留各自主要的信息處理服務(wù)器設(shè)備；原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備上，涉及到的都是航圖、計(jì)劃原始信息等，我們可以對兩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備層席位進(jìn)行功能合并；客戶端操作模塊上，保留部分學(xué)員操作終端，包括模擬管制模塊、飛行座艙操作模塊、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊等，根據(jù)需求對模擬機(jī)長模塊進(jìn)行選擇性配置。最終，我們可以將互聯(lián)系統(tǒng)總體上分為七個(gè)部分：管制仿真處理模塊、飛行仿真處理模塊、教員/控制模塊、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊、座艙操作模塊、模擬管制模塊。飛行仿真處理模塊負(fù)責(zé)推算飛機(jī)在各個(gè)階段的軌跡運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；管制仿真處理模塊負(fù)責(zé)接收飛行仿真系統(tǒng)推算和處理的周期性航跡數(shù)據(jù)，以綜合航跡格式進(jìn)行重新組裝和處理后發(fā)送給對應(yīng)的客戶端；教員/控制模塊負(fù)責(zé)對訓(xùn)練的整體進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊負(fù)責(zé)訓(xùn)練劇本的擬制和存儲(chǔ)，包括航跡的初始化信息、航路信息和視景模型展示信息；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊則是保留了飛行模擬機(jī)模擬飛行座艙姿態(tài)的功能，使整體的仿真性更加逼真；座艙操作模塊負(fù)責(zé)飛機(jī)的駕駛操作；模擬管制模塊負(fù)責(zé)顯示機(jī)場及周邊2000公里范圍內(nèi)的空中交通狀態(tài)、機(jī)場管制區(qū)內(nèi)地面交通狀態(tài)及天氣信息等。

2.2 系統(tǒng)間信息類型交互設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中流轉(zhuǎn)的信息類型主要有兩類：一是劇本信息，包括飛行計(jì)劃信息和劇本基礎(chǔ)信息，飛行計(jì)劃信息包括航班呼號(hào)、二次代碼、起降機(jī)場、起降時(shí)間、飛機(jī)初始出現(xiàn)位置、出現(xiàn)速度等；劇本基礎(chǔ)信息則包括地圖數(shù)據(jù)信息、劇本訓(xùn)練指定時(shí)間信息、以及其他訓(xùn)練場景信息。二是系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各自服務(wù)器間運(yùn)算傳輸?shù)暮桔E動(dòng)態(tài)更新信息，這部分主要指培訓(xùn)學(xué)員通過操作模擬飛行器產(chǎn)生的位置、高度、速度、航向等信息，由飛行仿真處理服務(wù)向管制仿真處理服務(wù)進(jìn)行周期性航跡同步的數(shù)據(jù)，這些信息可記錄、顯示飛行器實(shí)時(shí)軌跡位置，是模擬管制席位的主要處理數(shù)據(jù)，同時(shí)，該信息也是飛行座艙-視景模塊動(dòng)態(tài)顯示的數(shù)據(jù)來源。針對這兩類消息傳輸和交互的設(shè)計(jì)，是整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.2.1 劇本基礎(chǔ)信息傳輸設(shè)計(jì)

通過分析劇本基礎(chǔ)信息，我們發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)訓(xùn)練的過程中，其改動(dòng)頻次小，內(nèi)容相對固定，在系統(tǒng)內(nèi)，我們可以采用民航飛行動(dòng)態(tài)固定電報(bào)進(jìn)行傳輸。以MH/T4007-2012標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行組裝。

2.2.2 航跡動(dòng)態(tài)更新信息傳輸設(shè)計(jì)

航跡動(dòng)態(tài)更新信息主要包含飛機(jī)實(shí)時(shí)的位置經(jīng)緯度信息、速度、高度、航向信息，以及改動(dòng)頻率較小航跡的二次代碼、航路、機(jī)型、上升下降率等，這些信息都需要周期性進(jìn)行傳輸，在飛行仿真處理和管制仿真處理交互中，本系統(tǒng)中使用ASTERIX CAT 062綜合航跡數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)間信息流程交互設(shè)計(jì)

在訓(xùn)練的準(zhǔn)備階段，系統(tǒng)首先由教員在訓(xùn)練準(zhǔn)備模塊編輯訓(xùn)練劇本，由教員/控制模塊讀取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的劇本信息后，將其發(fā)送給仿真處理模塊，經(jīng)過組裝和初步處理以后，仿真處理模塊以電報(bào)形式將劇本中的飛行計(jì)劃信息傳輸給飛行仿真模塊、飛行座艙模塊和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊，電報(bào)消息接收成功時(shí)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊和飛行座艙模塊會(huì)進(jìn)行培訓(xùn)場景的初始化，視景顯示加載和座艙儀表數(shù)據(jù)歸零。

在訓(xùn)練的實(shí)時(shí)階段，系統(tǒng)由教員/控制席發(fā)送進(jìn)度控制命令，系統(tǒng)開始運(yùn)行。培訓(xùn)學(xué)員通過操作飛行座艙模塊中的儀表、操縱桿、腳踏等設(shè)備，將飛機(jī)的實(shí)時(shí)信息發(fā)送給飛行仿真處理模塊，飛行仿真處理模塊會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和過濾，并周期性轉(zhuǎn)發(fā)給管制處理模塊，最終由管制處理模塊處理后發(fā)送給模擬管制模塊，完成實(shí)時(shí)信息的最終閉環(huán)。展現(xiàn)在管制員席位上，由管制培訓(xùn)人員指揮和調(diào)度的，就是綜合航跡信息數(shù)據(jù)。互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信息流程圖如圖3所示。

3 結(jié)束語

管制模擬與飛行模擬互聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了管制模擬培訓(xùn)和飛行模擬培訓(xùn)的業(yè)務(wù)融合，彌補(bǔ)了管制指揮訓(xùn)練和飛行模擬訓(xùn)練無法同時(shí)進(jìn)行逼真協(xié)調(diào)、溝通培訓(xùn)的不足。在結(jié)合多元化訓(xùn)練科目的編輯模式下，對于在真實(shí)管制指揮過程中因?yàn)轱w行員操作和管制指令而不一致的特情事件，也可以進(jìn)行有效復(fù)盤和針對性訓(xùn)練。同時(shí)，因?yàn)轱w行模擬流程及設(shè)備的增加，極大提高了管制培訓(xùn)過程中，管制員與飛行員溝通協(xié)調(diào)模擬的真實(shí)性，對于提高管制員和飛行員對特情處置，以及各自業(yè)務(wù)模式的熟悉都具有實(shí)質(zhì)的重要意義。